基于信息滤波的车载组合导航系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了基于信息滤波的车载组合导航系统。包括：耦合于运动物体的GPS导航单元，周期性计算GPS导航信息并利用历史航向角信息判断耦合于GPS的GPS转弯判断单元输出结果；耦合于运动物体的航位推算(DR)导航单元，利用存储于DR导航单元内的参考位置和方向周期性推算DR导航信息，耦合于DR导航单元的转弯判断单元根据航向角变化及曲率输出判断结果；转弯判断单元综合GPS与DR转弯判断单元得到运动物体状态并修正DR推算公式；耦合于GPS与DR导航单元及转弯判断单元的信息滤波器(IF)，用于周期性地计算运动物体的导航信息。本发明应用IF滤波器整合GPS与DR导航信息，获得更高精度和更可靠性能的导航功能。
【专利说明】
基于信息滤波的车载组合导航系统
技术领域
[0001] 本发明是关于导航技术，尤其是关于一种组合导航系统以及方法。
【背景技术】
[0002] 由于全球定位系统（Global Positioning System，GPS)具有全球范围覆盖、高精 度等优点，因而被广泛应用于汽车导航，以根据接收的卫星信号提供汽车的绝对位置。然 而，由于高楼、树木、管道、高架桥等会阻碍卫星信号传播，因此在城市环境下，很难实现连 续地GPS导航，要得到连续可靠的定位信息就需要其他的辅助手段。
[0003] 航迹推算（Dead Reckoning，DR)导航系统主要由定位传感器（例如，陀螺仪、里程 仪等）组成，其具有较高的自主性以及高采样率。然而，由于DR导航系统是根据前一时刻 的车辆绝对位置以及当前计算的相对位移推导得出当前时刻的车辆绝对位置，因此，DR导 航系统的测量误差将随着时间逐步累积。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种组合导航系统以及导航方法， 可以整合多个传感器的测量信息，以得到比单个导航系统信息更高精度和更可靠的导航信 息。
[0005] 本发明所提供的组合导航系统包括：耦合于车辆的GPS接收单元，用于根据卫星 信号周期性地计算车辆的GPS导航信息；耦合于车辆的DR导航单元，用于根据车辆的运动 信息与存储于所述DR导航单元内的参考位置和方向，周期性地推算车辆的DR导航信息；以 及親合于所述GPS导航单元和DR导航单元的信息滤波器（Information Filter，IF)，用于 周期性地计算车辆的导航信息。
[0006] 本发明还提供了一种组合导航方法，其至少包括下列步骤：根据卫星信号周期性 地计算运动物体的GPS导航信息并根据历史GPS航向角信息判断GPS转弯判断单元输出结 果；根据所述运动物体的运动信息、存储于所述DR导航单元内的参考位置和方向及耦合于 DR导航单元的转弯判断单元周期性地推算所述运动对象的DR导航信息；转弯判断单元综 合GPS转弯判断单元与DR转弯判断单元结果得到所述运动物体是否为直行或转弯状态DR 导航单元根据所述运动物体不同的状态切换不同的航位推算策略；将所述GPS导航信息， 所述DR导航信息及转弯判断输出结果输入所述不同的信息滤波器，滤波结果用于修正导 航ig息。
[0007] 与现有技术相比，本发明提供了一种组合导航系统，应用IF整合GPS导航信息与 DR导航信息。一方面，GPS导航单元提供的绝对位置精度很高，而且不受定位时间的影响， 可以为DR导航单元提供航位推算的初始值，辅助DR导航单元进行定位误差的校正和修正 DR导航单元的系统参数。另一方面，DR导航单元的连续推算在短时间内具有很高的精度， 可以补偿GPS导航单元定位中的随机误差和定位的断点，使得定位的轨迹能够平滑。因此， 采用这种组合导航系统能够提供更高精度和更可靠性能的导航功能。
[0008] 本发明通过整合GPS测量结果及DR推算结果得到一种长时间且精度高的组合导 航系统，本发明具有以下优点：
[0009] (1)本发明共包括直行和转弯两种模式，通过对转弯模式航位推算策略的修正，得 到更精确的DR导航单元输出结果；
[0010] (2)本发明采用耦合于GPS导航单元和DR导航单元的信息滤波器，相对于传统的 Kalman滤波器具有两方面优势：首先，在缺乏初值X。的先验信息时，Kalman滤波启动困难， 信息滤波则容易处理；其次，当输入量维数较大时，信息滤波器较Kalman滤波器计算量明 显减少。
【附图说明】
[0011] 以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本发明的 特征和优点更为明显。其中：
[0012] 图1所示为根据本发明的一个实施例的组合导航系统的结构框图；
[0013] 图2所示为本发明的一个实施例的信息滤波器的流程图；
[0014] 图3所示为根据本发明的一个实施例的组合导航系统的操作流程图。
【具体实施方式】
[0015] 以下将对本发明的实施例给出详细的说明。
[0016] 图1所示为根据本发明的一个实施例的组合导航系统100的结构框图。本发明所 述组合系统100相比于现有技术的单一导航系统（例如，单一 GPS导航系统或单一 DR导航 系统）具有更加精准的导航定位能力。
[0017] 在一个实施例中，组合导航系统100包括GPS测量单元104,用于接收卫星信号，并 根据卫星信号产生GPS导航信息106。每个卫星信号都由一个对应的导航卫星产生。在一 个实施例中，GPS导航信息106包括运动物体的位置、方向、线速度V sps和角速度Wsps。在地 球标准坐标系中，车辆的位置由经度分量和炜度分量组成。
[0018] 组合导航系统100还包括DR测量单元114,用于测量车辆的运动信息，并根据车辆 的运动信息计算车辆的航向角变化量和位置变化量。其中，DR测量单元包括用于测量车辆 线速度V dr的里程表110与测量车辆角速度Wdr的陀螺仪112。利用角速度Wdr及初始航向 角积分得到DR输出航向角供现。
[0019] GPS导航单元102包括GPS测量单元104及GPS定位类型判断器108, GPS测量单 元104将测量得到的信息106,包括经度Lontips、炜度Lattips、航向角％/^、线速度V tips，定位类 型Typesps, GPS测量信息首先经过GPS定位类型判断器108判断当前GPS信息是否可用。
[0020] 当GPS定位类型TypetJps= 1或Type (；pS= 2时，GPS测量信息不可用，此时采用纯 DR定位，不进行信息滤波，将DR导航信息作为最后的输出。
[0021 ] 当GPS定位类型Typetips= 3时，GPS测量信息可用，将GPS航向角识Gi>s输入到转弯 判断单元116,该转弯判断单元由两部分组成，分别为GPS转弯判断单元与DR转弯判断单 J L 〇
[0022] 其中，GPS转弯判断单元判断当前航向角与之前九个周期（共十个周期）的 航向角方差是否小于预设阈值Vartips，如果该方差小于阈值Var tips，认为GPS转弯判断单元 输出结果为直行；否则如果该方差大于或等于阈值Vartips，认为GPS转弯判断单元输出结果 为转弯。
[0023] 如果十个周期内的航向角包含不可用的航向角，那么本次不作判断，直至累积至 十个周期再进行判断是否输出结果为转弯。
[0024] DR转弯判断单元判断以下两个条件是否同时成立：1)当前与上个周期之间 的航向角变化Δ奶^大于等于预设阈值Apniin或曲率C = Apzwi/AL大于等于预设阈值 AC_(例如：1000)，这里AL为当前时刻到上一时刻走过的距离；2)累积十个周期内的航 向角变Φ
大于等于预设阈值&in。
[0025] 当条件1)与条件2)同时成立，认为DR转弯判断单元输出结果为转弯；否则如果 条件1)或条件2)其中之一不成立，认为DR转弯判断单元输出结果为直行。
[0026] 当GPS转弯判断单元输出结果为转弯或DR转弯判断单元输出结果为转弯，则认为 整个转弯判断单元116输出结果为转弯，否则当GPS转弯判断单元与DR，转弯判断单元输出 结果同时为直行Rim整个转弯判断单元116输出结果为直行。
[0027] 所述阈 ，ACnilJ 根据运动物体的具体情况进行确定，其确定准则 包括：
[0028] 1)阈值 ACnun^U 果太小，可能会将直行时的变道等动作误判为转 弯，从而引起误?
[0029] 2)阈值 、C_以石 艮太大，可能会将慢速转弯动作误判为直行，从而 引起误差。
[0030] 如果转弯判断单元116输出结果为直行，利用GPS输出的航向角炉代替DR输出 航向角供灿。此时DR采用直行航位推算122,推算公式如下：
[0031] ⑴
[0032] (2)
[0033] 其中，λ为经度；L为炜度；r为地球半径。将陀螺仪测量得到的航向角速率的误
胃 0一Pfn h 七口
[0034] (3)
[0035] 将里程计测量得到的速度误差以白噪声形式描述：
[0036] εη= ω n (4)
[0037] 其中，cog，ωη为白噪声。
[0038] 经炜度及航向角的一阶泰勒展开式如下：
[0039] (5)
[0040]
[0048] 其中，Wz为观测噪声；Δ T为仿真步长。
[0049] 如果转弯判断单元116输出结果为转弯，此时DR采用转弯航位推算118,引入一个 修正因子得到经度的变化方程为：
[0050] (11)
[0051] 其中，Δ供^为一个时间间隔内的航向角变化量。炜度变化方程为：[0052]
(12)
[0053] 当前车辆处于转弯模式下，采用上述经炜度推算公式能够使经炜度计算更加准
[0067] 两种不同的模式下，状态方程不同，因此不同模式下的信息滤波器不同，本发明的 实施例中共有两个信息滤波器，当转弯判断单元116输出结果为直行时，采用直行信息滤 波器；当转弯判断单元116输出结果为转弯时，采用转弯信息滤波器。
[0068] 图2所示为本发明一个实施例的如图1所示组合导航系统100中的信息滤波器单 元的流程图。组合导航系统100中的转弯信息滤波器136与直行信息滤波器128流程与算 法均相同，只是所建立状态方程不同。
[0069] 信息滤波器单元200首先建立离散状态方程：
[0070]
(23)
[0071] 其中：
为状态变量;w(k)为过程噪声。
[0072] 在直行模式下，导航系统的状送
其中，δ λ为经度的误 差；3L为炜度的误差为航向角的误差；εg为航向角速率的误差，系统的状态方程为：
[0073]
[0081] 卡尔曼滤波中使用状态估计文及方差P来进行计算，而信息滤波中利用信息状态 及费歇信息Y来进行计算，其定义为：
[008：
(29)
[0083] 如图200所示，扩展信息滤波器可以分为以下三个过程：[0084] 1)方框204所示预测过程：
[0088] 其中，i(k)为观测向量Z(k)的信息状态分布，而I(k)则为新信息矩阵，
为k-Ι步到第k步的状态预测值：
[0085]
[0086]
[0087]
[0089]
(32)
[0090] 2)方框206所示估计过程：
[0091]
(33)
[0092] 其中，η为滤波节点个数。
[0093] 3)方框208所示输出最终估计结果为：
[0094]
(34)
[0095] 信息滤波器是根据所关心的参数（状态）相关的信息测量形式获得，而不是直接 获得状态估计和其相关的协方差。
[0096] 在转弯模式下，状态方程为：
[0。。71
[0098] 系统输出方程与滤波器原理同直行模式。
[0099] 直行与转弯两种模式下切换时，将上一种模式下的状态变量赋予下一种模式下的 状态变量初值。
[0100] 图3所示为本发明的一个实施例的由如图1所示组合导航系统100所执行的操作 流程图300。图3将结合图1及图2进行描述。
[0101] 当组合导航系统100启动后，GPS测量单元产生运动物体的GPS导航信息，该导航 信息中包括GPS定位类型iType，如果iType不等于3,认为此时GPS信息不可用，根据方框 图306,此时采用纯DR定位；如果iType等于3,认为此时GPS信息可用，则判断GPS航向角 十个周期内的方差（如果十个周期内的GPS航向角包括了部分不可用的信息，则累积十个 周期再进行判断）是否小于阈值Var tips，如果小于该阈值，GPS判断当前为直行；反之如果方 差大于等于该阈值Vartips, GPS判断当前为转弯。
[0102] 在方框318中，陀螺仪与里程计测量运动物体的DR导航信息，并判断如下两个条 件：
[0103] 条件1:本周期与上个周期的航向角变分
I否大于等于阈彳]
且曲率
是否大于等于阈值A C_;
[0104] 条件2 :累积十个周期内的航向角变彳
I否大于等于预设阈?]
[0105] 当上述两条件同时成立，DR判断结果为转弯；反之如果两条件不是同时成立，DR 判断结果为直行。
[0106] 方框310与方框312同时判断为直行时，认为此时运动物体为直行，从而采用方框 324直行航位推算且用GPS航向角信息代替DR航向角信息；反之如果方框310与方框312 其中之一判断为转弯，认为此时运动物体为转弯，从而采用方框326转弯航位推算。
[0107] 如果采用方框324直行航位推算，且当前GPS信息可用，则采用方框330直行信息 滤波器，并得到输出结果方框332 ;反之如果采用方框326转弯航位推算，且当前GPS信息 可用，则采用方框328转弯信息滤波器，并得到输出结果方框332。输出结果332反馈至DR 导航单元，用于修正DR导航输出。
[0108] 综上所述，本发明提供了一种组合导航系统，该组合导航系统包括一个GPS导航 单元，用于根据卫星信号产生GPS导航信息，GPS导航单元包括一个GPS转弯判断单元，用 于根据历史航向角信息判断运动物体状态。该组合导航系统还包括一个DR导航单元，用于 推算DR导航信息，同样，DR导航单元包括一个DR转弯判断单元，用于根据航向角变化及曲 率判断运动物体状态。转弯判断单元综合GPS转弯判断单元与DR转弯判断单元得到运动 物体状态并修正DR推算公式。此外，本发明的组合导航系统还包括信息滤波器（IF)，用于 周期性地计算运动物体的导航信息
[0109] 上文【具体实施方式】和附图仅为发明之常用实施例。显然，在不脱离后附权利要求 书所界定的本发明精神保护范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员 应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下 在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例 仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前 之描述。
【主权项】
1. 一种组合导航系统，其特征在于，所述组合导航系统包括： 耦合于运动物体的全球定位系统（GPS)导航单元，用于根据卫星信号周期地计算所述 车辆的GPS导航信息； 耦合于所述车辆的航位推算（DR)导航单元，用于根据所述车辆的运动信息与存储于 所述DR导航单元内的参考位置和方向，周期性地推算所述车辆的DR导航信息； 以及耦合于所述GPS导航单元和DR导航单元的信息滤波器（IF)，用于周期地计算所述 车辆的导航信息，其根据所述GPS导航信息及DR导航信息，以得到导航观测信息，再整合所 述导航观测信息与所述运动物体在先前多个时刻的导航信息，以得到所述运动物体当前的 导航ig息。2. 根据权利1所述的组合导航系统，其特征在于，所述组合导航系统还包括： 耦合于所述GPS导航单元的定位类型判断器，用于判断当前测得得到的GPS信息定位 类型，从而确定是否采用GPS航向角代替DR航向角。3. 根据权利1所述的组合导航系统，其特征在于，所述组合导航系统还包括： 親合于所述DR导航单元与GPS导航单元的转弯判断单元，用于判断当前运动体是否处 于转弯状态。4. 根据权利3所述的组合导航系统，其特征在于，转弯判断单元包含两部分，分别为DR 转弯判断单元与GPS转弯判断单元，根据两个转弯判断单元的输出综合得到当前是否处于 转弯状态。5. 根据权利要求4所述的组合导航系统，其特征在于，DR转弯判断单元根据航向角变 化值及曲率判断当前状态，即如果从前一时刻到这一时刻航向角变化大于第一预设阈值， 或者，当前曲率大于第二预设阈值时，认为DR转弯判断单元输出结果为转弯状态。6. 根据权利要求4所述的组合导航系统，其特征在于，GPS转弯判断单元根据航向角历 史信息判断当前状态，即如果十个周期内的航向角方差小于第三预设阈值，认为GPS转弯 判断单元输出结果为直行状态，否则认为GPS转弯判断单元输出结果为转弯状态。7. 根据权利要求4所述的组合导航系统，其特征在于，根据GPS转弯判断单元与DR转 弯判断单元综合判断当前运动物体处于直行状态或处于转弯状态。如果GPS转弯判断单元 与DR转弯判断单元输出结果均为直行，则认为当前运动物体处于直行状态；否则，当GPS转 弯判断单元或者DR转弯判断单元输出结果为转弯，则认为当前运动物体处于转弯状态。8. 根据权利1所述的组合导航系统，其特征在于，耦合于所述运动物体的DR导航单元 根据所述转弯判断单元判断结果切换不同的航位推算算法。9. 根据权利8所述的组合导航系统，其特征在于，耦合于所述运动物体的DR导航单元 根据转弯判断单元的输出结果切换至直行航位推算公式或转弯航位推算公式。如果转弯判 断单元输出结果为直行，则将GPS当前航向角赋给DR导航单元用于直行航位推算；如果转 弯判断单元输出结果为转弯，则不采用GPS航向角代替DR航向角，为了提高转弯时的DR导 航精度，在直行航位推算公式的基础上添加修正因子。10. 根据权利1所述的组合导航系统，其特征在于，所述组合导航系统还包括： 耦合于运动物体的陀螺仪，用于测量所述运动物体的角速度；以及耦合于所述运动物 体的里程表，用于测量所述运动物体的线速度，其中所述运动物体的所述运动信息包括所 述角速度和所述线速度。11. 根据权利1所述的组合导航系统，其特征在于，耦合于所述GPS导航单元和DR导航 单元的信息滤波器根据所述转弯判断单元输出结果切换不同的滤波器状态方程。12. -种组合导航方法，其特征在于，所述组合导航方法至少包括下列步骤： 根据卫星信号周期性地计算运动物体的GPS导航信息并根据历史GPS航向角信息判断 GPS转弯判断单元输出结果； 根据所述运动物体的运动信息、存储于所述DR导航单元内的参考位置和方向及耦合 于DR导航单元的转弯判断单元周期性地推算所述运动对象的DR导航信息； 将所述GPS导航信息，所述DR导航信息及不同的转弯判断输出结果输入所述信息滤波 器，滤波结果用于修正导航信息。
【文档编号】G01S19/45GK105890595SQ201510008171
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月8日
【发明人】王晋高
【申请人】北京中坤天朗信息技术有限公司